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2017.08.10 DC/DC

開關式穩壓器的評估:電感電流之測量

開關式穩壓器的特性和評估方法

「開關式穩壓器的評估」第4項為「電感電流之測量」,說明電感電流之測量方法和評估重點。

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・關於電感(inductor)

一開始要稍微偏離一下主題。這裡將右圖DC/DC轉換器(converter)輸出所使用之L統一稱為「電感」。近來似乎大多稱為電感,不過使用線圈(coil)或扼流線圈(choke coil)等稱呼也不在少數。此外,也有使用電抗器(reactor)之稱呼。

儘管想說在DC/DC轉換器中都是同樣的東西,不過線圈是捲線物之總稱,而電感據說也同義。扼流線圈是不通過高頻率電流用途之線圈。只是,即使在業界似乎也沒有嚴格的規定,而是使用熟悉的言語。據說IEC等圈際規格中常用inductor一詞(詳細未確認)。近年使用電感的情況或許正在逐漸增加。

好了,現在進入主題。首先,須確認電感從事什麼樣的工作。簡單來說,電阻不論AC或DC,總之無關頻率,都會限制電流在一定程度,而電感若電壓相同的話頻率會變高致使電流難以流動,DC方面可以想成沒有電阻成分。與電容做比較的話,由於電容不通過DC而通過AC,故亦可以說反向運作。電感如電阻般運作之原理為電磁誘導。此外,藉由自我誘導來產生電動勢(electromotive force)。此效果之大小以感應係數(inductance)表示。

降壓型之DC/DC轉換器中,上圖所示之電感基本上扮演著平滑化的角色。上圖電感被輸入輸出電晶體之ON-OFF矩形波電壓時,流動之電流會因電感而可以傾斜至電流輸出入成為三角波。如此一來,矩形波形成平滑之三角波,這是基本。

・電感電流和輸出漣波電壓

為了測量電感電流並判斷是否適當,特以數學式來表示電感電流和輸出漣波電壓。(下左圖中,因圖出處之關係而使用「線圈」一詞標示。當然,同時也是電感的意思。)

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這些數學式是設計DC/DC轉換器時必定會出現的公式。若能想像與各項之關係,想必評估就容易多了。

以⊿IL表示之電感電流三角波顛峰(peak)當感應係數L變大時會變小。此外還知道,即便開關頻率變高時也會變小,以⊿VREP表示之漣波電壓由⊿IL及電容ESR支配。並以此為基礎評估已測量之電感電流。

・電感電流之測量方法

電感電流使用電流探針(probe)以示波器觀察波形。電流探針由於必須夾住電流路徑(current path),故必須像照片般露出夾鉗(clip)用線。

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・電感電流之檢討事項

上右波形圖中,上為開關電壓波形、下為電感電流之波形。此實測波形可以說接近理想,可以觀察到漂亮的三角波。

這裡的評估重點以剛才也出現過的右圖來說明。這些其實是設計時決定電感規格的重點。也就是說,最後必須確認設計時所選擇之電感實際上是否適當。

電感(線圈)之飽和電流應該選擇大於IOUTMAX加⊿IL/2之値。請與實測値進行比較。

倘若飽和電流之容許値不充分,則電感將會飽和,電流會急劇流動,故三角波之斜度會如二次曲線般歪斜。最糟情況有時超出預測之電流會流入開關式電晶體導致損壞,因此這是重要的檢查點。

電感電流之評估重點

評估電感及電感電流時之重點整理如下:

  • 定數雖然依照數據表決定,但務必進行實測。
  • 測量時使用示波器及電流探針。
  • 確認電流波形是否適當、有無飽和。
  • 電感電流根據顛峰値和平均値兩方進行檢討。
  • 電感之選擇根據數學式之要求、IOUTMAX+⊿IL/2進行考量。

電感之運作有時難以理解,相信勢必有必會感到棘手。儘管如此,對DC/DC轉換器而言卻是不可或缺的零件,因此最好以實測反覆進行評估等來加深理解。

重點:

・電感對DC/DC轉換器而言是重要零件。除了評估之外,在設計上亦無可避免。

・測量時使用示波器和電流探針來確認電流波形是否適當、有無飽和。

・電感電流根據顛峰値及平均値兩方進行檢討。

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